給森林「照CT」，北大郭慶華團隊繪製全國首張「樹密度地圖」

粗糲的樹幹筆直地伸向天空，巨大的樹冠遮蔽了天空，細碎的陽光穿過樹葉的縫隙，巨樹森林中瀰漫著來自西北太平洋的濕潤空氣……這裏是美國加利福尼亞州的紅杉樹國家公園，有著目前世界上已知的最高樹亥伯龍樹。

在美國加州大學默塞德分校任教時，北京大學教授、遙感與地理信息研究所所長郭慶華曾一次又一次來到這片神奇的森林，在被大自然的神奇震撼的同時，他也在思考：為什麼這裏的樹可以長這麼高、水分如何輸送到樹頂端、背後有哪些生態機制……

彼時的他可能不會想到，回國十餘年後，通過團隊自主研發的激光雷達系統，他在西藏，一個與加州氣候迥異的地方，發現了高達102.3米的西藏柏木，刷新按樹種排名的世界最高樹列表，他也成為亞洲第一高樹的發現者。也是得益於這項技術，郭慶華和團隊成員首次對全國樹木數量進行了精細測算並繪製出首張「樹密度地圖」——截至2020年，全國約有1426億棵樹，平均樹密度約為689棵/公頃。

如何數清中國到底有多少樹木？如何數出一棵棵樹？背後有哪些科技助力？近日，新京報記者專訪了郭慶華，試圖找到問題的答案。

花十年時間，用衛星遙感「拚出」全國森林全景

一張中國地圖上，分佈著深深淺淺的綠色，可以明顯看到，南部和東北部被綠色覆蓋。這張看似不起眼的地圖，卻是我國第一張「樹密度地圖」：它精準測算出了960萬平方公里土地上的樹木覆蓋情況：截至2020年，全國約有1426億棵樹，平均樹密度約為689棵/公頃，相當於中國人均擁有約100棵樹。

這張圖就「存放」在郭慶華辦公室的電腦里，是他和團隊成員十餘年來潛心研究的成果之一。郭慶華告訴記者，這張地圖既包含了中國森林的整體分佈情況，也涵蓋了每個位置有多少棵樹的信息。

更多的信息可以從這張圖上分析出來，比如，從流域看，長江流域以約496億棵樹的絕對優勢位居首位；從省域看，四川、黑龍江、雲南和廣西的樹木總數超過100億棵，佔全國總量的32%。四川樹木數量居全國首位，西藏人均樹木數量位列第一、人均擁有近2000棵樹。

製作一張樹密度地圖需要多久？郭慶華和團隊成員前前後後花費了十年時間。不過，地圖上這1426億棵樹卻不是一棵棵數出來的，「我們用無人機和激光雷達，像‘照CT’一樣掃瞄森林，用AI算法‘看片子’、數樹，最後用衛星遙感‘拚出’全國的森林全景。」

「我們使用無人機搭載激光雷達傳感器，飛越目標林區。激光雷達通過發射激光脈衝，測量激光從地面和樹冠返回的時間，從而獲取森林的三維點雲數據。這些點雲就像人體CT掃瞄得到的斷層圖，能夠詳細反映森林中每一棵樹的位置、形狀和高度。」郭慶華解釋道，通過在全國典型森林範圍內的持續掃瞄，獲取了7萬多個1公頃的無人機激光雷達樣方數據。

此後，基於樣方數據，利用自研的基於AI的單木分割算法，對每個樣方進行單株樹木的提取，並統計樣方內樹木的數量，構建了相當於7萬多個含有樹木數量的樣本庫。

最後，借助衛星遙感數據，獲取空間連續的覆蓋全國森林範圍的數據，再通過AI模型構建真實樣地樹木數量與衛星數據之間的關係，就可以實現全國森林樹木數量的估算。

說起來簡單的測量過程，背後是科研工作者十年如一日「坐冷後備」的堅持。

以往林業調查多是人工進行，樣方大小定為一畝，再放大至全國就已經很大了。「我們的樣方是1公頃（約等於15畝），同時在樣方的選擇上不僅要兼顧樹種，還要兼顧不同的地區類型。」郭慶華表示，團隊成員走遍了7萬多個樣方，前前後後花費了10年時間，最終採集了400多TB的數據。如果以一張照片5M大小計，400TB相當於8000多萬張照片的體量。

與此同時，AI模型的構建也是如此。「並沒有現成的模型可以用。我們就是不斷用樣方的數據和對應的遙感數據去訓練AI算法，根據驗證的精度創建起一個最優的模型。」郭慶華解釋道。

實地測量中也遍佈挑戰，天氣、空氣濕度等都影響測量精度，比如雨雪和霧霾會散射或吸收激光信號，導致點雲噪聲或數據缺失；強風可能影響無人機穩定性，造成掃瞄偏差等。「針對惡劣天氣，我們進行了技術開發，就目前來說，我們的設備已經初步具有在雨天、風沙天氣等環境下的工作能力。」

最大的挑戰在於中下層樹木被冠層遮擋，難以通過激光雷達完整識別。郭慶華表示，通過點雲優化處理與人工驗證校正參數，同時在模型集成階段引入不確定性估計，最終有效降低了估算誤差。

複製現實世界的激光雷達技術

在樹木測量過程中，激光雷達技術是關鍵。

郭慶華把它形容為「對物理現實世界的數字複製技術」。它能「透視」森林內部結構，激光雷達會發出上百萬束激光，每一束都能穿透森林冠層，獲取到從樹頂到地面的詳細結構信息。解像度可以達到釐米級別，不僅能看見每一棵樹，還能「看清楚」樹有多高、有多粗、樹冠多大。過去近20年的時間里，郭慶華一直致力於將三維激光雷達技術用於生態學領域，帶領團隊進行相關儀器的軟硬件研發。

對於森林資源調查而言，第一個問題就是如何保證數據獲取的高效性與精準性。傳統的森林資源調查主要依賴地面樣地調查，通過人工測量樣方內的樹木數量、胸徑、高度等參數，再通過統計方法進行區域性推算。

在郭慶華看來，人工測量的方法雖然準確，但存在效率低、更新慢、代表性差、結構性信息不完整等明顯局限，「傳統方法很難獲取森林的立體結構，比如冠層層次、空間分佈等。」

然而，當時，國內森林計測儀器多依賴昂貴的進口設備，且功能單一，難以適應複雜林況。為此，郭慶華團隊自主研發了空地一體化遙感平台，包括無人機、背包、手持和車載激光雷達系統，集成CCD相機、高光譜傳感器等多種設備。這一平台不僅輕便靈活，還能在林下定位信號丟失、平台穩定性差等條件下實現高精度數據採集。

郭慶華解釋，激光雷達技術本質上是一種高精度的三維測量手段，通過高速發射激光脈衝，並記錄其返回時間，結合定位系統，構建出覆蓋森林上層冠層到地表的高密度三維點雲數據。這些點雲不僅能反映每棵樹的空間位置、高度和冠幅，還可在人工智能算法的輔助下識別單株樹木並估算胸徑等關鍵結構參數。

「它能精準到什麼程度呢？比如中國的最高樹是102.3米，從技術的概念來講，對於最高樹範圍內能夠達到每平方米2萬個點，整棵樹的三維結構看得一清二楚，也就是說，測量這個樹高的偏差，不會超過一個釐米級的偏差。」郭慶華口中的最高樹位於西藏林芝，是一棵西藏柏木，2023年由聯合調查團隊利用無人機激光雷達測定。

從2022年起，郭慶華團隊使用自研的無人機激光雷達、背包激光雷達，與北京大學呂植團隊、西子江生態保育中心、山水自然保護中心、北京數字綠土科技股份有限公司組成聯合調查隊尋找高樹、測量樹高，將中國「樹王」的準確身高從76.8米刷新到2023年的102.3米。

在郭慶華看來，巨樹的存在不僅僅在生態學上具有重要意義，也與當地的文化和人地關係密切相關。「在西藏墨脫、察隅和波密等地的野外考察過程中，我們曾在一些巨樹下發現了經幡。經幡的存在，反映了當地多民族社區對自然的崇敬與保護。」郭慶華表示，這些地區是多民族聚居的地方，他們共同生活在這片神秘而原始的自然環境中，當地的宗教信仰，深深影響了他們與自然的關係，他們認為這些樹木和所在的森林不僅是自然資源，更是神聖的存在，因此，他們基於文化和宗教信仰進行自發保護。

郭慶華表示，在生態保護的過程中，如何平衡現代發展與傳統文化保護，可以通過科技手段確保這些珍稀資源的可持續性，同時也要尊重當地民眾對於巨樹的崇拜和保護，與當地民眾合作進行生態保護，「這也會成為我們未來研究和保護工作的重點。這一切不僅關乎科學的進步，也關乎人類與自然和諧共生的未來。」

為實現「雙碳」目標提供更精準的「綠色賬本」

得益於激光雷達技術，更多的科研成果正在陸續呈現出來。

從2018年起，在中科院地球大數據科學工程項目支持下，郭慶華作為「新一代中國植被圖繪製」主要負責人之一，聯合中國各地300多名植物學專家與青年學者，利用衛星遙感和激光雷達、手機應用等近地面遙感技術，開展了對中國植被數據的高效採集。他透露，更高解像度、更準確的新一代中國植被圖將完成。這距離中國上一代植被圖繪製已過去了40多年。

「在這四十多年的發展中，植被類型已經發生了巨大的變化，我們之前的一項對比研究中發現，僅從土地覆蓋這個角度，中國現有的類型有50%左右發生了改變，因此，亟須對該植被圖進行更新。」

在陝西省黃陵縣軒轅廟內有一棵黃帝手植柏，相傳這棵樹是中華民族始祖軒轅黃帝親手種下的，距今已有數千年。這棵古柏樹高19.4米，樹幹胸圍達到8.6米，平均冠幅18.1米，樹冠覆蓋面積約178平方米，被譽為「世界柏樹之父」，也是目前已知樹齡最長的柏樹之一。

得益於激光雷達的億萬高精度點雲和3D高斯潑濺（3DGS）的動態粒子建模，這棵軒轅柏的樹高、胸徑、冠幅等多項參數可以自動計算出來，古樹根系、主幹、枝杈乃至表皮紋理等信息在電腦上有了記錄，這份「全息檔案」形成多維數據評估體系，為古樹健康診斷、修復方案製定及保護效果追蹤提供全流程數字化決策支持。

「假設之前給這棵樹做了一個數字掃瞄的話，那麼，我們就會知道這棵樹是如何慢慢變成這麼大樹冠的。這些數據除了可以對生態環境背景做整體調查，對數據進行精準處理和分析之外，也是對這些重要的文化遺產進行數字保存。」在郭慶華看來，假如每一棵古樹都有這樣一份「全息檔案」，古樹可以得到更多的保護支持。

製作「樹密度地圖」、繪製中國新一代植被圖、研究中國最高樹、為更多古樹做「全息檔案」……「我們最終的目的是要瞭解中國森林的質量。」郭慶華解釋，目前，中國人均樹木約為100棵，這個數據比幾十年前已經有了很大的提升，但無論是森林覆蓋率還是人均樹木佔有量，仍與發達國家存在距離。

應對全球氣候變化，「基於自然的解決方案」是關鍵行動之一。2022年5月，在世界經濟論壇年會上，中國氣候變化事務特使解振華代表中國政府提出，將從政策製定、能源轉型、森林碳彙三方面採取行動，加強現有森林資源保育，力爭10年內植樹700億棵，響應「全球植萬億棵樹領軍者倡議」。

「我們還是要繼續種樹提升綠化水平，但是怎麼種樹？我覺得要從以前的數量擴張，轉變為質量增長。」郭慶華表示，中國是全球人工林面積最大的國家，但過去對森林資源的統計更多停留在面積和蓄積量層面，在「雙碳」目標下，公眾和政策製定者都需要更精準的「綠色賬本」——不僅是森林面積，還包括單木級別的碳儲量、生物多樣性支撐能力等。

在郭慶華看來，一系列的研究成果可以識別出生態脆弱區和低效林地，「我們近期研究發現，在中國某些地區人工林的密度過大，導致其碳彙能力下降了，還需要對該區域的人工林密度進行調整。樹也不是種得越多越好，也需要調整樹木的數量、結構，把經濟效益、生態效益達到最大化。」

「我們希望用先進的遙感與AI技術，研究這個看似簡單卻極具戰略意義的科學問題。希望更多的公眾能夠瞭解中國的森林環境、參與森林保護。也希望我們能勾畫更多中國大自然的故事。」郭慶華想做的事情還有很多。

新京報記者 楊菲菲

編輯 繆晨霞 校對 翟永軍